JP5961740B1 - 光学装置及び発光素子 - Google Patents
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Abstract
Description
ここで、ブラッグの回折条件から、界面にて光が反射する場合において、入射角θinに対して反射角θrefが満たすべき条件は、
P・n a ・(sinθin−sinθref)=m・λ・・・(1)
である。ここで、Pは凹部または凸部の周期、n a は入射側の媒質の屈折率、λは入射する光の波長、mは整数である。SiC基板10から下地層11へ光が入射する場合、n a はSiCの屈折率となる。図2(a)に示すように、上記(1)式を満たす反射角θrefで、界面へ入射する光は反射される。
P・(n a ・sinθin−n b ・sinθout)=m’・λ・・・(2)
である。ここで、n b は出射側の媒質の屈折率であり、m’は整数である。例えばSiC基板10から下地層11へ光が入射する場合、n b は下地層の屈折率となる。図2(b)に示すように、上記(2)式を満たす透過角θoutで、界面へ入射する光は透過される。
図3に示すように、下地層11上には、後述する発光層25よりも光取り出し面側に配置され、励起波長域内の光を反射し、蛍光波長λfの光を透過する第1の反射部12が形成される。本実施形態においては、第1の反射部12は、発光層25から発せられる近紫外光を反射するとともに、SiC基板10から発せられる可視光を透過する。第1の反射部12は、SiC基板10上に下地層11を介して形成された分布ブラッグ反射鏡であり、励起波長用の積層部本体123と、蛍光波長用の入射側付加膜124及び出射側付加膜125と、を有する。第1の反射部12は、屈折率の異なる第1材料と第2材料を積層して構成される。
SiC基板10は主にSiC結晶で構成されているため、6H型SiC結晶のバンドギャップエネルギーEgが形成されている。
SiC基板10に光を入射させると、荷電子帯E2から伝導帯E1に自由電子aが励起され、E2には自由正孔bが生成される。そして、数nsから数μsの短時間のうちに、自由電子aはドナー準位NSD,NDDへ緩和してドナー電子aS’,aD’となり、自由正孔bはアクセプタ準位NAへと緩和してアクセプタ正孔b’となる。
ここで、キュービックサイトのドナーは深いドナー準位NDDを形成し、ヘキサゴナルサイトのドナーは浅いドナー準位NSDを形成することが判明している。
一方、浅いドナー準位NSDへ緩和したドナー電子aS’は、浅いドナーの活性化エネルギーESDがエネルギー的に十分に小さいので、熱エネルギーにより再励起されて、結局のところ伝導帯E1に留まる。この結果、ドナー電子aS’はΓバンドとのバンド内吸収に用いられることとなり、アクセプタ正孔b’と再結合しない。すなわち、発光には寄与しない。
さらに、窒素のイオン化エネルギーはホウ素よりも小さいため、室温において、ある程度の窒素がイオン化する。すると、励起されたドナー電子aD’が再度伝導帯E1に遷移することとなり、アクセプタ正孔b’と対になるドナー電子aD’が不足することとなる。対となるドナー電子aD’がないアクセプタ正孔b’は、蛍光発光に寄与することができず、そのアクセプタ正孔b’を励起するためのエネルギーが無駄に消費されたこととなる。すなわち、ドナー電子aD’とアクセプタ正孔b’が過不足なく再結合できるように予めイオン化する窒素量を見越してホウ素濃度よりも窒素濃度を多めに設定しておくことにより、高い蛍光量子効率を実現することができる。
図9に示すように、この気相成長装置100は、種結晶基板101及び原料102が配置される第1坩堝110と、第1坩堝110が収容される第2坩堝120と、第2坩堝120を覆う断熱容器130と、第1坩堝110、第2坩堝120及び断熱容器130を収容する収容管140と、収容管140内へ気体を導入する導入管150と、導入管150から導入される気体の流量を計る流量計160と、収容管140内の圧力を調整可能なポンプ170と、収容管140の外側に配置され種結晶基板101を加熱するためのRFコイル180と、を有している。この気相成長装置100では、気体は、収容管140へ下側から導入され、収容管140の上側から排出される。
図10に示すように、気相成長装置100は、収容管140内における各種気体の分圧を検出する分圧検出部210と、収容管140内における各種気体の分圧を調整する分圧調整部220と、各種気体の目標分圧232が記憶された記憶部230と、分圧検出部210にて検出された検出分圧212及び記憶部230に記憶された目標分圧232に基づいて分圧調整部220により収容管140内における各種気体の分圧を調整する分圧制御部240と、を備えている。例えば、各種気体の分圧の検出は、収容管140へ流入する気体の流量と、収容管140から流出した気体の流量を監視することで行われる。例えば、各種気体の分圧の調整は、収容管140へ流入する気体の流量と、収容管140から流出する気体の流量を制御することで行われる。ここで、目標分圧232は、不純物原料気体に関しては、成長後の蛍光SiC材料におけるドナー不純物及びアクセプタ不純物の濃度の差が所定の目標値となる不純物原料気体の分圧であり、結晶原料気体に関しては、収容管140内の気体におけるCとSiの比が所定の目標値となる結晶原料気体の分圧である。
また、成長中に種成長基板101近傍のCとSiの比が変化すると、成長されるSiC中への不純物の取り込み量が変化してしまう。これを防止するため、結晶原料気体の目標分圧232が、不純物の取り込み量が所期の範囲となるよう設定される。尚、CとSiの比は、結晶原料気体の供給量を変化させるだけでなく、成長時の温度を変化させることによっても制御することができる。本実施形態においては、結晶原料気体の供給量と、成長時の温度の両方を変化させてCとSiの比を制御している。
ここからSiC基板10をウェハ状のまま加工する場合は、下地層11によりSiC基板10の裏面の平坦化を図った後、第1の反射部12を形成し、ダイシングにより複数の発光素子1に分割することにより、発光素子1が製造される。このとき、第1の反射部12を形成することにより、SiC基板10を薄くすることができ、ダイシングも比較的簡単容易に行うことができる。
一方、SiC基板10をチップ状として加工する場合は、電極形成後にダイシングにより複数のチップに分割した状態で、下地層11によりSiC基板10の裏面の平坦化を図った後、第1の反射部12を形成することにより、発光素子1が製造される。さらには、第1の反射部12を封止レンズに予め形成しておき、電極形成後にダイシングにより複数のチップに分割した後に、SiC基板10の裏面と封止レンズの第1の反射部12とを樹脂等の接着剤で接着してもよい。この場合、接着剤が下地層11をなす。さらにまた、第1の反射部12が形成された封止レンズと、発光素子1が離隔した状態であってもよい。
図14Aは、第1の反射部の反射スペクトルの一例であり、実線は実施例Aを、破線は比較例Aを、一点鎖線は比較例Bをそれぞれ示す。実施例A、比較例A及び比較例Bは、第1の反射部の反射特性の評価のため、いずれも、SiC基板10の裏面を、凸部10a等を形成せずに平坦とした。実施例A、比較例A及び比較例Bにおいては、分布ブラッグ反射鏡12の蛍光材料側に隣接する媒質は屈折率が1.4の樹脂であり、蛍光材料と反対側に隣接する媒質は屈折率が1.5のレンズである。
実施例Aは、設計波長λcを350nmとし、厚さ59.1nmのSiO2の低屈折率膜121及び厚さ37.4nmのZrO2の高屈折率膜122を交互に積層して積層部本体123を構成した。実施例Aでは、積層部本体123と樹脂の間に、高屈折率膜122より薄い第2材料からなる膜の入射側付加膜124として厚さ18.7nmのZrO2膜を形成するとともに、積層部本体123とレンズの間に、高屈折率膜122より薄い第2材料からなる膜の出射側付加膜125として厚さ18.7nmのZrO2膜を形成した。実施例Aでは、入射側付加膜124及び出射側付加膜125がともにZrO2膜であるので、積層部本体123における入射側付加膜124及び出射側付加膜125に隣接する膜をSiO2の低屈折率膜121とし、5つの低屈折率膜121と4つの高屈折率膜122を交互に積層させた。
比較例A及びBは、それぞれ、厚さ59.1nmのSiO2の低屈折率膜及び厚さ37.4nmのZrO2の高屈折率膜のペア数を5として分布ブラッグ反射鏡を形成した。比較例Aでは、SiO2の低屈折率膜を樹脂側に、ZrO2の高屈折率膜をレンズ側に配置した。また、比較例Bでは、ZrO2の高屈折率膜を樹脂側に、SiO2の低屈折率膜をレンズ側に配置した。
図15に示すように、この光学装置201は、一端に開口202aが形成された円筒状の筐体202と、この開口202aを閉塞する蛍光板203と、筐体202の他端に形成される端子部204と、を有している。本実施形態においては、筐体202の一端側を上方向、他端側を下方向として説明する。筐体202には、端子部204から電力が供給される複数種類のLED素子が収容されており、LED素子から発せられる紫外光により蛍光板203が励起されて発光するようになっている。
10 SiC基板
11 下地層
12 第1の反射部
20 半導体積層部
123 積層部本体
124 入射側付加膜
125 出射側付加膜
201 光学装置
211 紫外LED素子
203 蛍光板
231 下地層
232 反射部
301 光学装置
310 搭載基板
332 反射部
Claims (21)
- 所定の励起波長域内の光で励起されると、当該励起波長域より長い所定の蛍光波長の光を発する蛍光材料と、
第1材料からなり第1厚さで形成される複数の低屈折率膜と、前記第1材料よりも高い屈折率の第2材料からなり第2厚さで形成される複数の高屈折率膜とを交互に積層させた積層部本体を有し、前記励起波長域内の光を反射し前記蛍光波長の光を透過する分布ブラッグ反射鏡と、を備え
前記分布ブラッグ反射鏡の前記蛍光材料側又は前記蛍光材料と反対側に隣接する隣接媒質は、前記第2材料よりも屈折率が低く、
前記積層部本体における最も前記隣接媒質側に前記低屈折率膜が配置され、
前記分布ブラッグ反射鏡は、さらに、前記第2材料からなり前記第2厚さよりも薄い厚さで前記積層部本体と前記隣接媒質の間に形成される付加膜を有する光学装置。 - 前記低屈折率膜の前記第1厚さ及び前記高屈折率膜の前記第2厚さを設計するための設計波長をλc、前記第1材料の屈折率をn1、前記第2材料の屈折率をn2としたとき、
前記第1厚さは、λc/4n1であり、
前記第2厚さは、λc/4n2であり、
前記付加膜の厚さは、λc/8n2である請求項1に記載の光学装置。 - 所定の励起波長域内の光で励起されると、当該励起波長域より長い所定の蛍光波長の光を発する蛍光材料と、
第1材料からなり第1厚さで形成される複数の低屈折率膜と、前記第1材料よりも高い屈折率の第2材料からなり第2厚さで形成される複数の高屈折率膜とを交互に積層させた積層部本体を有し、前記励起波長域内の光を反射し前記蛍光波長の光を透過する分布ブラッグ反射鏡と、を備え
前記分布ブラッグ反射鏡の前記蛍光材料側又は前記蛍光材料と反対側に隣接する隣接媒質は、前記第1材料よりも屈折率が高く、
前記積層部本体における最も前記隣接媒質側に前記高屈折率膜が配置され、
前記分布ブラッグ反射鏡は、さらに、前記第1材料からなり前記第1厚さよりも薄い厚さで前記積層部本体と前記隣接媒質の間に形成される付加膜を有する光学装置。 - 前記低屈折率膜の前記第1厚さ及び前記高屈折率膜の前記第2厚さを設計するための設計波長をλc、前記第1材料の屈折率をn1、前記第2材料の屈折率をn2としたとき、
前記第1厚さは、λc/4n1であり、
前記第2厚さは、λc/4n2であり、
前記付加膜の厚さは、λc/8n1である請求項3に記載の光学装置。 - 所定の励起波長域内の光で励起されると、当該励起波長域より長い所定の蛍光波長の光を発する蛍光材料と、
第1材料からなり第1厚さで形成される複数の低屈折率膜と、前記第1材料よりも高い屈折率の第2材料からなり第2厚さで形成される複数の高屈折率膜とを交互に積層させた積層部本体を有し、前記励起波長域内の光を反射し前記蛍光波長の光を透過する分布ブラッグ反射鏡と、を備え、
前記分布ブラッグ反射鏡の前記蛍光材料側又は前記蛍光材料と反対側に隣接する隣接媒質は、前記第1材料よりも屈折率が低く、
前記積層部本体における最も前記隣接媒質側に前記高屈折率膜が配置され、
前記分布ブラッグ反射鏡は、さらに、前記第1材料からなり前記第1厚さよりも厚い厚さで前記積層部本体と前記隣接媒質の間に形成される付加膜を有する光学装置。 - 前記低屈折率膜の前記第1厚さ及び前記高屈折率膜の前記第2厚さを設計するための設計波長をλc、前記第1材料の屈折率をn1、前記第2材料の屈折率をn2としたとき、
前記第1厚さは、λc/4n1であり、
前記第2厚さは、λc/4n2であり、
前記付加膜の厚さは、λc/2n1である請求項5に記載の光学装置。 - 所定の励起波長域内の光で励起されると、当該励起波長域より長い所定の蛍光波長の光を発する蛍光材料と、
第1材料からなり第1厚さで形成される複数の低屈折率膜と、前記第1材料よりも高い屈折率の第2材料からなり第2厚さで形成される複数の高屈折率膜とを交互に積層させた積層部本体を有し、前記励起波長域内の光を反射し前記蛍光波長の光を透過する分布ブラッグ反射鏡と、を備え、
前記分布ブラッグ反射鏡の前記蛍光材料側又は前記蛍光材料と反対側に隣接する隣接媒質は、前記第2材料よりも屈折率が高く、
前記積層部本体における最も前記隣接媒質側に前記低屈折率膜が配置され、
前記分布ブラッグ反射鏡は、さらに、前記第2材料からなり前記第2厚さよりも厚い厚さで前記積層部本体と前記隣接媒質の間に形成される付加膜を有する光学装置。 - 前記低屈折率膜の前記第1厚さ及び前記高屈折率膜の前記第2厚さを設計するための設計波長をλc、前記第1材料の屈折率をn1、前記第2材料の屈折率をn2としたとき、
前記第1厚さは、λc/4n1であり、
前記第2厚さは、λc/4n2であり、
前記付加膜の厚さは、λc/2n2である請求項7に記載の光学装置。 - 前記蛍光材料の表面の少なくとも一部に形成された周期的な凹凸構造と、
前記蛍光材料上に、少なくとも前記凹凸構造の凹部が埋まり、かつ、表面が平坦となるよう形成された下地層と、を備え、
前記分布ブラッグ反射鏡は、前記下地層上に形成される請求項1から8のいずれか1項に記載の光学装置。 - 前記凹凸構造の周期は、前記蛍光波長より大きく前記蛍光波長のコヒーレント長より小さい請求項9に記載の光学装置。
- 前記蛍光材料を励起するための前記励起波長域内の光を発する光源を備えた請求項1から10のいずれか1項に記載の光学装置。
- 所定の励起波長域内の光で励起されると、当該励起波長域より長い所定の蛍光波長の光を発する蛍光基板と、
前記蛍光基板の一方の面側に形成され、第1材料からなり第1厚さで形成される複数の低屈折率膜と、前記第1材料よりも高い屈折率の第2材料からなり第2厚さで形成される複数の高屈折率膜とを交互に積層させた積層部本体を有し、前記励起波長域内の光を反射し前記蛍光波長の光を透過する分布ブラッグ反射鏡と、
前記蛍光基板の他方の面側に形成され、前記蛍光材料を励起するための前記励起波長域内の光を発する発光層を含む半導体積層構造と、を備え
前記分布ブラッグ反射鏡の前記蛍光材料側又は前記蛍光材料と反対側に隣接する隣接媒質は、前記第2材料よりも屈折率が低く、
前記積層部本体における最も前記隣接媒質側に前記低屈折率膜が配置され、
前記分布ブラッグ反射鏡は、さらに、前記第2材料からなり前記第2厚さよりも薄い厚さで前記積層部本体と前記隣接媒質の間に形成される付加膜を有する発光素子。 - 前記低屈折率膜の前記第1厚さ及び前記高屈折率膜の前記第2厚さを設計するための設計波長をλc、前記第1材料の屈折率をn1、前記第2材料の屈折率をn2としたとき、
前記第1厚さは、λc/4n1であり、
前記第2厚さは、λc/4n2であり、
前記付加膜の厚さは、λc/8n2である請求項12に記載の発光素子。 - 所定の励起波長域内の光で励起されると、当該励起波長域より長い所定の蛍光波長の光を発する蛍光基板と、
前記蛍光基板の一方の面側に形成され、第1材料からなり第1厚さで形成される複数の低屈折率膜と、前記第1材料よりも高い屈折率の第2材料からなり第2厚さで形成される複数の高屈折率膜とを交互に積層させた積層部本体を有し、前記励起波長域内の光を反射し前記蛍光波長の光を透過する分布ブラッグ反射鏡と、
前記蛍光基板の他方の面側に形成され、前記蛍光材料を励起するための前記励起波長域内の光を発する発光層を含む半導体積層構造と、を備え、
前記分布ブラッグ反射鏡の前記蛍光材料側又は前記蛍光材料と反対側に隣接する隣接媒質は、前記第1材料よりも屈折率が高く、
前記積層部本体における最も前記隣接媒質側に前記高屈折率膜が配置され、
前記分布ブラッグ反射鏡は、さらに、前記第1材料からなり前記第1厚さよりも薄い厚さで前記積層部本体と前記隣接媒質の間に形成される付加膜を有する発光素子。 - 前記低屈折率膜の前記第1厚さ及び前記高屈折率膜の前記第2厚さを設計するための設計波長をλc、前記第1材料の屈折率をn1、前記第2材料の屈折率をn2としたとき、
前記第1厚さは、λc/4n1であり、
前記第2厚さは、λc/4n2であり、
前記付加膜の厚さは、λc/8n1である請求項14に記載の発光素子。 - 所定の励起波長域内の光で励起されると、当該励起波長域より長い所定の蛍光波長の光を発する蛍光基板と、
前記蛍光基板の一方の面側に形成され、第1材料からなり第1厚さで形成される複数の低屈折率膜と、前記第1材料よりも高い屈折率の第2材料からなり第2厚さで形成される複数の高屈折率膜とを交互に積層させた積層部本体を有し、前記励起波長域内の光を反射し前記蛍光波長の光を透過する分布ブラッグ反射鏡と、
前記蛍光基板の他方の面側に形成され、前記蛍光材料を励起するための前記励起波長域内の光を発する発光層を含む半導体積層構造と、を備え、
前記分布ブラッグ反射鏡の前記蛍光材料側又は前記蛍光材料と反対側に隣接する隣接媒質は、前記第1材料よりも屈折率が低く、
前記積層部本体における最も前記隣接媒質側に前記高屈折率膜が配置され、
前記分布ブラッグ反射鏡は、さらに、前記第1材料からなり前記第1厚さよりも厚い厚さで前記積層部本体と前記隣接媒質の間に形成される付加膜を有する発光素子。 - 前記低屈折率膜の前記第1厚さ及び前記高屈折率膜の前記第2厚さを設計するための設計波長をλc、前記第1材料の屈折率をn1、前記第2材料の屈折率をn2としたとき、
前記第1厚さは、λc/4n1であり、
前記第2厚さは、λc/4n2であり、
前記付加膜の厚さは、λc/2n1である請求項16に記載の発光素子。 - 所定の励起波長域内の光で励起されると、当該励起波長域より長い所定の蛍光波長の光を発する蛍光基板と、
前記蛍光基板の一方の面側に形成され、第1材料からなり第1厚さで形成される複数の低屈折率膜と、前記第1材料よりも高い屈折率の第2材料からなり第2厚さで形成される複数の高屈折率膜とを交互に積層させた積層部本体を有し、前記励起波長域内の光の光を反射し前記蛍光波長の光を透過する分布ブラッグ反射鏡と、
前記蛍光基板の他方の面側に形成され、前記蛍光材料を励起するための前記励起波長域内の光を発する発光層を含む半導体積層構造と、を備え、
前記分布ブラッグ反射鏡の前記蛍光材料側又は前記蛍光材料と反対側に隣接する隣接媒質は、前記第2材料よりも屈折率が高く、
前記積層部本体における最も前記隣接媒質側に前記低屈折率膜が配置され、
前記分布ブラッグ反射鏡は、さらに、前記第2材料からなり前記第2厚さよりも厚い厚さで前記積層部本体と前記隣接媒質の間に形成される付加膜を有する発光素子。 - 前記低屈折率膜の前記第1厚さ及び前記高屈折率膜の前記第2厚さを設計するための設計波長をλc、前記第1材料の屈折率をn1、前記第2材料の屈折率をn2としたとき、
前記第1厚さは、λc/4n1であり、
前記第2厚さは、λc/4n2であり、
前記付加膜の厚さは、λc/2n2である請求項18に記載の発光素子。 - 前記蛍光基板の前記一方の面の少なくとも一部に形成された周期的な凹凸構造と、
前記蛍光基板の前記一方の面上に、少なくとも前記凹凸構造の凹部が埋まり、かつ、表面が平坦となるよう形成された下地層と、を備え、
前記分布ブラッグ反射鏡は、前記下地層上に形成される請求項12から19のいずれか1項に記載の発光素子。 - 前記凹凸構造の周期は、前記蛍光波長より大きく前記蛍光波長のコヒーレント長より小さい請求項20に記載の発光素子。
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